不同材料混凝土對化工污水凈化效果的比較

張海銘

（銀川三建集團(tuán)有限公司，寧夏回族自治區(qū)銀川 750000）

眾所周知混凝土是一種建筑施工材料，在建筑工程方面應(yīng)用較常見且顯現(xiàn)的力學(xué)性能相對其他建筑材料也比較好。然而，混凝土還有另外一種性能就是凈化污水，混凝土作為一種生態(tài)材料首次被提出是在上個世紀(jì)中期的美國生態(tài)凈化學(xué)會會議上，被稱為生態(tài)混凝土和多孔混凝土。隨后經(jīng)過多次試驗(yàn)和研究，從混凝土的原材料入手，采用混凝土制備工藝將混凝土制備成一種多孔結(jié)構(gòu)的混凝土，并且經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和分析，推斷出混凝土具有一定的污水凈化作用。混凝土憑借其特殊的多孔結(jié)構(gòu)來增加其孔隙率和滲水性能，使其具有良好的吸附作用和過濾作用。多孔混凝土具備一定的耐久性和滲透性，能夠滿足凈水結(jié)構(gòu)的使用功能和濾水性能的要求。根據(jù)制作工藝以及制作材料的不同，應(yīng)用于化工污水凈化工藝中的混凝土分為環(huán)保型多孔混凝土和凈化型多孔混凝土，其中環(huán)保型多孔混凝土采用的材料比較環(huán)保，在制作中摻入了大量的工業(yè)廢渣，水泥和細(xì)骨料的用量減少，以此延長生態(tài)混凝土的使用年限，并且還能節(jié)約資源，從而減輕生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)；凈化型多孔混凝土是一種用于凈化水源的多孔混凝土，其對制作材料要求較高。多孔混凝土不同于普通的混凝土，對制作工藝和材料的選擇具有較高的要求，目前國內(nèi)對于該方面的研究有限，無法為多孔混凝土在化工污水凈化中實(shí)踐應(yīng)用提供參考依據(jù)，因此導(dǎo)致混凝土在對化工污水凈化中的應(yīng)用效果不是很好，為此提出不同材料混凝土對化工污水凈化效果的比較研究，為提高混凝土污水凈化效果提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

此次實(shí)驗(yàn)在某化工廠中采集100 份化工污水，將其作為實(shí)驗(yàn)研究對象，分別收集在100mL容量瓶中。經(jīng)檢測該化工廠的化工污水中重金屬鉛、pH 值、生化需氧量、氨氮以及總磷等污染物成分嚴(yán)重超標(biāo)，具體化工污水成分指標(biāo)如表1 所示。

表1 化工污水成分表

實(shí)驗(yàn)將100 份化工污水隨機(jī)分成四組，每組各25 份化工污水，分別采用四種不同材料的混凝土對化工污水進(jìn)行凈化，將四種不同材料的混凝土用編號DT-01、DT-02、DT-03、DT-04標(biāo)記，該四種混凝土制作材料以及配級如表2所示。

表2 不同材料混凝土配級表

每種材料混凝土的配級相同，不同點(diǎn)在于采用了不同的灰料（在后續(xù)實(shí)驗(yàn)材料中詳細(xì)說明），且化工污水在成分以及質(zhì)量方面均無差異。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

用于化工污水凈化工藝中的混凝土需要具有較高的孔隙率和滲水性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求主要選取的材料包括水泥、碎石、細(xì)砂、外加劑以及灰料[1]。其中水泥是凈水型混凝土制作必不可少的材料之一，凈水型混凝土的酸堿性會影響到凈水效果，如果混凝土本身呈酸性會對化工污水的水質(zhì)造成一定的影響，因此在選擇混凝土水泥材料時盡量選取酸性較低的材料，并且還要保證混凝土的力學(xué)性能，凈化型混凝土強(qiáng)度要求在3.45～13.5MPa 之間，因此根據(jù)以上要求此次實(shí)驗(yàn)選取由沈陽某水泥廠生產(chǎn)的GKIDD5.56 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，該水泥氧化鎂含量為2.46%，氯離子含量為0.042%，三氧化硫含量為1.65%，其基本性能均符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

碎石也是凈水型混凝土中不可獲取的材料，由于凈水型混凝土對孔隙率和滲水性能具有較高的要求，因此在選取碎石材料時需要嚴(yán)格控制碎石的粒徑大小，根據(jù)要求實(shí)驗(yàn)選取單一配級的玄武巖碎石作為混凝土粗骨料，其粒徑大小為7.5～13.5mm 之間[2]。在常規(guī)混凝土制作中，通常選用級配良好的細(xì)砂作為細(xì)骨料，加入過量的細(xì)砂可以使混凝土結(jié)構(gòu)更加緊密和結(jié)實(shí)，這樣可以保證混凝土的力學(xué)性能。而凈水型混凝土要保證足夠的孔隙率，因此實(shí)驗(yàn)使用少量的細(xì)砂，選用粒徑為1.55～3.55mm 的普通河砂作為混凝土細(xì)骨料[3]。為了保證凈水型混凝土的使用性能，還需要選取合適的外加劑，利用外加劑來增加混凝土原材料漿液的流動性，加速混凝土硬化和凝結(jié)。此次根據(jù)要求選用了綠色環(huán)保的新騰躍聚羧酸減水劑作為外加劑，新騰躍聚羧酸減水劑的減水率可以達(dá)到32.56%，具有良好的減水效果。

此外，除了以上必要的制作材料之外，還需要使用一定的灰料來保證凈水型混凝土性能，此次分別選取了四種不同的灰料用于制作混凝土，其中DT-01 中選取物理化學(xué)性質(zhì)較好的秸稈灰作為凈水型混凝土的摻合料，秸稈灰種類較多，此次實(shí)驗(yàn)選取比較常見且環(huán)保的水稻秸稈灰作為混凝土原材料；DT-02 中選取易于獲取的粉煤灰作為凈水型混凝土的摻合料；DT-03 中選取常見的硅灰作為凈水型混凝土的摻合料；最后DT-04 中選取粒化高爐礦渣粉作為凈水型混凝土的摻合料。

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備分為兩種：一種是用于混凝土試件制作的設(shè)備，還有一種是用于測量化工污水指標(biāo)的儀器設(shè)備，具體如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備表

按照上述要求準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)前對材料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，并且對各個儀器設(shè)備參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，合格后方可用于實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)混凝土試件制備

混凝土制備主要包括混凝土混合料攪拌、倒入模具成型以及后期養(yǎng)護(hù)三個過程，由于凈水型混凝土要保證具有較大的孔隙率，并且還要具備良好的滲水性能，因此其制作不應(yīng)采用原有的混凝土制作工藝，根據(jù)需求此次在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，其具體制作過程如下：首先將準(zhǔn)備好的混凝土混合料依次放入到GUD-256D 單臥軸混凝土攪拌機(jī)的拌和桶內(nèi)，對其進(jìn)行普通攪拌60s，其目的是使混凝土干料與水融合，同時又起到清洗混合料的作用[4]。然后對桶內(nèi)混合料進(jìn)行振動攪拌120s，振動攪拌可以使混凝土粗骨料與水泥更好地接觸，使細(xì)砂和水泥漿液充分填充到粗骨料縫隙中，同時還能減少混合料之間的相互摩擦[5]。然后將攪拌好的混凝土混合料倒入200mm×200mm×400mm 的模具中[6]。將模具放到振動臺上進(jìn)行反復(fù)振動，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，同時將多余的混合料振動出去，令混合料漿液填實(shí)模具[7]。由于凈水型混凝土空隙較大，內(nèi)部的水分容易過快蒸發(fā)，從而影響到凈水型混凝土使用性能，因此將脫膜后的混凝土試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，每日向其表面澆水，保證混凝土相對濕度在95%以上，連續(xù)養(yǎng)護(hù)24h 后即可得到完整的混凝土試件[8]。對不同材料制作成的混凝土孔隙率、材料密度以及滲水系數(shù)進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 不同材料混凝土性能指標(biāo)

從表4 中數(shù)據(jù)可以看出：方案2 的混凝土孔隙率和滲水性能優(yōu)于其他方案。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

將制作完成的混凝土試件用于凈化化工污水，利用儀器設(shè)備測定凈化后化工污水各項(xiàng)指標(biāo)，其過程為：首先準(zhǔn)備好4 個方形塑料桶，將化工污水倒入到塑料桶中，并將不同材料制作好的混凝土試件分別放入到化工污水中，用筆在每個塑料桶上進(jìn)行編號標(biāo)記[9]。然后將4 個方形塑料桶放置到空氣流通，且光照條件較好的室內(nèi)環(huán)境中，將室內(nèi)溫度控制在15～25℃范圍內(nèi)[10]。待24h 以后利用SFF-S1F5DFph 酸度測量儀測量化工污水凈化后的pH 值，利用CEWD/S5DFCOD 測量光度計測量化工污水凈化后的生化需氧量，利用K2654FAS 全自動凱式定氮儀測量化工污水凈化后的氨氮值，再利用溶氧儀測量化工污水凈化后的重金屬含量以及總磷量。將各組數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)，制作了不同材料混凝土化工污水凈化情況表，如表5所示。

表5 不同材料混凝土化工污水凈化情況表

從表5 中可以看出，使用秸稈灰制作的混凝土凈化效果較好，化工污水的重金屬含量、pH 值、生化需氧量、氨氮以及總磷等各項(xiàng)指標(biāo)都有所下降，且下降幅度較大，相比較其他幾種材料制作的混凝土化工污水凈化效果更加明顯，且良好，因此此次實(shí)驗(yàn)證明采用秸稈灰材料制作的混凝土更適用于化工污水凈化使用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

有關(guān)資料表明，混凝土在化工污水凈化過程中，其凈化效果主要在于混凝土的滲水性能、孔隙率以及材料密度，如果要取得良好的凈水效果，混凝土的孔隙率需要大于20%,并且滲水系數(shù)不應(yīng)小于5.5。以秸稈灰為材料的混凝土在孔隙率、滲水系數(shù)以及材料密度方面都符合要求，并且秸稈灰自身具有良好的物理吸附過濾性能，可以有效去除化工污水中一些雜質(zhì)。其次混凝土在制作過程中秸稈灰與水泥會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，能夠生成氫氧化鈣，氫氧化鈣能夠?qū)⒒の鬯邪钡⒖偭滓约爸亟饘傥镔|(zhì)發(fā)生陰陽離子置換，從而將化工污水中氨氮、總磷以及重金屬物質(zhì)進(jìn)行有效分解。除此之外，秸稈灰中含有大量的活性微生物物質(zhì)，該物質(zhì)附著在混凝土結(jié)構(gòu)表面，當(dāng)其與化工污水發(fā)生接觸時會形成生物膜，該生物膜能夠?qū)の鬯须y于溶解的重金屬物質(zhì)進(jìn)行吸附和過濾，當(dāng)化工污水流經(jīng)過混凝土結(jié)構(gòu)后，會使化工污水中的重金屬物質(zhì)附著到混凝土表面的生物膜上。并且還能夠主動降解化工污水中的生化需氧量，同時還能調(diào)節(jié)化工污水的酸堿度，從而增強(qiáng)混凝土凈水能力，進(jìn)而起到良好的化工污水凈化效果。

綜上所述，以秸稈灰為材料的混凝土化工污水凈化效果比較好，相比較其他材料混凝土更適用于化工污水凈化工藝中使用，可以有效保證化工污水中各項(xiàng)指標(biāo)的凈化程度，使化工污水達(dá)到凈化標(biāo)準(zhǔn)，并且秸稈灰材料易于獲取，且成本較低，該材料的使用還可以有效降低化工污水凈化成本，具有良好的推廣意義。

4 結(jié)束語

此次以實(shí)驗(yàn)的方式討論了不同材料混凝土的化工污水凈化效果，并介紹了凈水型混凝土制備方法，對不同材料混凝土的化工污水凈化效果進(jìn)行了比對和分析，了解到秸稈灰材料混凝土具有良好的化工污水凈化效果。此次研究對秸稈灰材料混凝土在化工污水凈化工藝中應(yīng)用具有良好的推廣作用，同時也有利于提高混凝土的凈水性能，對改善水污染和自然生態(tài)系統(tǒng)具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。